衡水市氣侯影響水資源變化特征及對策

丁二峰，安國慶

(河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水053000)

1 概述

近一個世紀以來，全球氣候發(fā)生了以變暖為主要特征的顯著變化。全球氣候變化對環(huán)境、生態(tài)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)都有深遠的影響［1］。水是全球氣候變化的主要影響領(lǐng)域之一，合理評估城市氣候影響水資源變化的特征有助于科學(xué)的利用水資源，充分地挖掘節(jié)水潛力，增加水資源的利用率［2-3］。本文以衡水市為例開展氣候與水資源特性關(guān)系研究，對廣大半濕潤半干旱地區(qū)積極應(yīng)對全球氣候變化帶來的影響，走可持續(xù)發(fā)展道路具有一定現(xiàn)實意義。

衡水市位于河北省東南部平原，地勢平坦。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶櫚敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)。多年平均降水量509.7 mm，多年平均水資源量6.127 5億 m3，年蒸發(fā)量 1 209.5 mm，年平均氣溫 12.6℃，干旱指數(shù)在 2.36～2.76 之間，氣候干燥。春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季氣候涼爽，冬季寒冷少雪［4］。

本文利用饒陽國家基準氣候站和68處雨量觀測站1957—2007年逐月氣溫和降水量資料，研究了衡水市氣候變化對水資源及水環(huán)境的影響，提出了幾種應(yīng)對氣候變化帶來的影響，合理開發(fā)利用水資源，保護水環(huán)境的方法。

2 資料來源與研究計算方法

選用1處國家基準氣候站，68處雨量觀測站1957—2007年歷年逐月氣溫和降水資料，研究年平均氣溫和年降水總量的變化趨勢。利用高橋浩一郎陸面蒸發(fā)公式(1)計算衡水市年蒸發(fā)量［5］。

式中:E為月地面實際蒸發(fā)量(mm);P為月平均降水量(mm);T為月平均氣溫(℃)。

研究過程主要采用相關(guān)分析、回歸分析、趨勢線分析和5年滑動平均分析等方法，分析了氣溫、降水量、蒸發(fā)等氣候參數(shù)和地表水、地下水及水資源總量的變化特征。

3 氣候變化特征分析

氣候變化影響水資源及其管理有4個主要指標:氣溫、降水、蒸發(fā)和海平面。結(jié)合衡水市實際情況，僅從前三個方面進行討論。

3.1 氣溫變化特征分析

圖1 1957—2007年衡水市逐年氣溫距平及5年滑動平均

圖1是1957—2007年衡水市逐年氣溫距平及5年滑動平均。由圖1可以看出，從20世紀80年代以來基本都呈上升趨勢;從20世紀50年代末期至80年代末期，溫度基本處于平均值以下，為負距平。90年代以來的氣溫明顯高于平均值，為正距平，增溫迅速，氣溫呈明顯上升趨勢。對51年的平均氣溫進行線性擬合，其趨勢方程為y=0.0255x+11.88，可近似得出衡水市年平均氣溫每年升高為0.03℃。

大氣溫度越高，大氣的持水能力越強(據(jù)克勞休斯—克拉珀龍定律)，同時蒸發(fā)量也增加。這使氣候的變率增加，即有更強的降雨和更多的干旱，從而使水循環(huán)加速，影響水資源及管理［6］。

3.2 降水特征分析

由圖2可以看出全市降水量年際變化量在波動中不明顯的減少。1964年、1977年、1990年為衡水市降水較多的年份，年降水量大于700 mm。從年代上看，70年末期開始出現(xiàn)減少趨勢，并低于平均值，為負距平。對51年的年均降水量進行線性擬合，其趨勢方程為 y=-2.204x+555.6，可近似得出衡水市的年平均降水量每年減少2.20 mm。衡水市降水量年內(nèi)分配很不均勻，6～9月份多年平均(1956—2003年)降水量為391.9 mm，占全年降水量的76.9%，而整個汛期的降水又多集中在7～8月兩個月份的二、三場暴雨，特別是豐水年份雨量更為集中，7～8月兩個月份年平均降水量之和為295.1 mm，占全年的57.9%。1964年全市平均降水量最大為934.5 mm，1997年全市平均降水量最小為271.2 mm，最大平均降水量是最小平均降水量的3.45倍，降水量的年際變化也很大［4］。

圖2 1956—2007年逐年降水總量距平及5年滑動平均

降水是氣侯變化中影響水資源的直接因子，尤其是衡水地處干旱半干旱的氣候區(qū)，降水可以直接補充地表水資源，補充淺層地下水資源，減少農(nóng)田灌溉用水等，所以降水的變化直接影響水資源的多寡。

3.3 蒸發(fā)特征分析

在氣候不斷變化條件下，溫度、日照、大氣濕度和風(fēng)速等發(fā)生明顯變化，進而影響蒸發(fā)量。在自然條件下，例如無明顯的蓄水或取水，一次降雨一般都能在一個月內(nèi)轉(zhuǎn)化為徑流或被蒸發(fā)，僅有一小部分仍滯留在土壤中［7］。圖3是水資源總量和利用高橋浩一郎公式計算出的逐年蒸發(fā)量對照圖。蒸發(fā)量的線性擬合方程為y=-0.1767x+346.5，由圖可知，蒸發(fā)量的變化趨勢為緩慢的減少。但實際的蒸發(fā)主要表現(xiàn)為增加，疑是與氣候影響蒸發(fā)的復(fù)雜性有關(guān)［4］。

圖3 年地面蒸發(fā)總量、年水資源總量變化趨勢圖

4 水資源變化特征分析

4.1 水資源總量變化特征

我國水資源總量由地表水、地下水、湖泊、冰川等幾部分組成，區(qū)域水資源總量可定義為當(dāng)?shù)亟邓纬傻牡乇硭偷叵滤停?］。圖3可以看出，衡水市水資源總量變化非常明顯，呈持續(xù)波動減少趨勢。對系列進行線性擬合，方程為y=-0.7406x+84.73，從20世紀50年代末期到60年代初的高峰期，到21世紀初期的低谷期，水資源總量平均每年減少約為 0.74 mm。

圖4 逐年地表水資源量距平及5年滑動平均

4.2 地表水資源量分析

利用文獻［4］中計算的1957-2003年逐年徑流深系列進行分析。圖4是逐年地表水資源量距平及5年滑動平均，由圖可明顯的看出，除了少數(shù)幾年的徑流深明顯高于平均值以外，大部分年份的徑流深都為負距平。而且從20世紀80年代后期開始地表水資源量呈明顯減少趨勢。

4.3 淺層地下水埋深逐年增大

根據(jù)衡水市十一個縣市區(qū)1994—2007年有連續(xù)資料的淺層地下水位觀測井的資料統(tǒng)計，2007年全市淺層地下水年平均埋深為12.31 m，比1994年的8.24 m增大了4.07 m。圖5是淺層地下水埋深變化趨勢圖，其線性擬合方程為y=0.3792x+7.394，由此可以估算出衡水市淺層地下水埋深正在以0.31 m/a的速度增加，淺層地下水資源量也在逐年減少。

圖5 淺層地下水埋深變化趨勢圖

5 氣候變化對水資源的影響分析

根據(jù)衡水市歷年區(qū)域平均水資源量以及同期的溫度、降水和蒸發(fā)進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)降水與水資源總量之間存在明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.977。圖6是1957—2007年年降水總量距平與水資總量的5年滑動平均關(guān)系圖，由圖可見，降水量與水資源總量變化相當(dāng)一致。分析可知，豐水年份占到10%，平水年份占40%，而枯水年份占到50%，尤其是21世紀初的持續(xù)干旱情況看，充分說明了降水對水資源的影響。由衡水市逐年平均氣溫和年水資源總量變化分析(圖7)可知，隨著氣溫的不斷升高，水資源總量逐漸減少。這是氣溫的升高使蒸散發(fā)加劇，大氣的持水能力增加的結(jié)果。雖然氣溫與水資源總量之間沒有明顯的相關(guān)性，但總的趨勢表現(xiàn)出溫度逐漸升高，水資源總量逐漸減少。蒸發(fā)受溫度、日照、大氣濕度等氣候條件的影響，但蒸發(fā)量的增加能夠使湖庫、地表蓄水體水量減少，促使更多的潛水蒸發(fā)，加劇降水減少對水資源的影響。其次是氣候變化對水環(huán)境的影響也是非常大的。升高的氣溫、增加的降水強度或長期的干旱少雨都能夠使湖泊、水庫等地表水體的多種污染加劇。另外，強降水更容易產(chǎn)生徑流，造成水土流失，使更多的營養(yǎng)物質(zhì)、病原體和有毒物質(zhì)被沖刷到水體中，進而污染水體［6］。

圖6 1957—2007年降水總量距平與水資總量的5年滑動平均

圖7 年平均氣溫和年水資源總量變化分析

6 應(yīng)對氣候變化對水資源影響的方法

全球氣候變化表現(xiàn)出可能加快水文循環(huán)，導(dǎo)致水資源量的時空分布變化，極端災(zāi)害性天氣頻發(fā)，水資源的短缺，水環(huán)境的惡化等一系列問題。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，氣候變化影響水資源及水環(huán)境的矛盾將日益突出。為緩解此矛盾，應(yīng)該從以下幾個方面進行改善。

6.1 穩(wěn)妥及時的人工增雨作業(yè)

在集水面積較大的區(qū)域，若能利用有利的天氣條件，適時進行人工增雨作業(yè)，既可以降低大氣的持水能力，使發(fā)生暴雨的可能性減小，又可以提高水庫蓄水的利用率。

6.2 增設(shè)水利工程，加大對雨洪資源的利用

針對大部分降水都集中在7～8月份的地區(qū)，甚至降水多為幾場暴雨的情況，要加大對雨洪資源開發(fā)利用的力度。建設(shè)一批城市雨洪水集流工程和田間溝渠集流蓄水工程，以調(diào)劑豐枯季節(jié)水量，保障水資源充分合理利用。

6.3 調(diào)整農(nóng)作物布局，有效利用非傳統(tǒng)水資源

農(nóng)業(yè)灌溉用水是消耗水資源的大戶之一，隨著灌溉區(qū)的不斷擴大，蒸發(fā)量比自然條件下要大很多。合理地搭配種植物機構(gòu)對提高蒸發(fā)水的利用率，提高水資源的生產(chǎn)效率有著舉足輕重的作用。

6.4 增加污水處理能力，使水資源得到重復(fù)利用

水資源是水量與水質(zhì)的高度統(tǒng)一，可用水資源的多少并不完全取決于水資源的數(shù)量，而是取決于水資源的質(zhì)量。以衡水市為例，2003年全市城鎮(zhèn)工業(yè)用水量高達1.237 3億m3，因此，對于多數(shù)工業(yè)比較集中的城鎮(zhèn)，若能將工業(yè)用水全部進行處理，轉(zhuǎn)化成中水替代清潔水源用于市政、景觀娛樂等非飲用場合，變能夠節(jié)省相當(dāng)一部分水資源。

7 結(jié)果與討論

本文以以衡水市為例，分析了氣候變化對水資源的影響，并提出了幾種應(yīng)對氣候變化對水資源影響的對策。

1)降水與水資源總量之間存在明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.977。

2)氣溫與水資源總量之間不存在明顯的相關(guān)性，但總的趨勢表現(xiàn)出溫度逐漸升高，水資源總量逐漸減少。

3)雖然從數(shù)據(jù)上分析蒸發(fā)量的變化趨勢為緩慢的減少，但實際蒸發(fā)主要表現(xiàn)為增加。氣候變化影響蒸發(fā)的因素和機理有待進一步研究。

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